JP4940448B2 - インクジェットヘッド - Google Patents

Description

本発明は、インクジェットヘッドに係り、特に、ヘッドチップにおける電気的な接続部を保護する構造を有するインクジェットヘッドに関する。

従来、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドにおいて、インクを吐出する各ノズルに圧電素子を付設し、この圧電素子をせん断変形させることで各ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドが知られている。

このようなインクジェットヘッドに用いられるヘッドチップの一つとして、圧電素子からなる駆動壁とチャネルとを交互に並設した構成のヘッドチップが知られている。

かかるヘッドチップは、各チャネル毎に駆動電極が形成されており、該駆動電極と電気的に接続する接続電極がヘッドチップの上面に形成されている。また、ヘッドチップ上面には、該接続電極と対応する電極部が形成された配線基板を、接続電極と電極部とが電気的に接続するように接合させた構成となっている。（例えば、特許文献１参照。）。

ヘッドチップをこのような構成とすることにより、作業工程が簡単でありながら駆動電極と外部配線との接続が容易であり、かつコンパクトで低コスト化を図ることのできるインクジェットヘッドが実現される。
特開２００６−８２３９６号公報

このようなヘッドチップにおいては、配線基板に形成された電極部は剥離し易いため、電極部にストレスがかからないようにする必要がある。

特に、セラミック等からなる配線基板にアルミ蒸着等で電極部を形成した場合などには、電極部と配線基板本体との接着強度が弱く、小さな歪みでも電極部が剥離し断線が発生する要因となるため、電極部を保護する必要がある。

しかしながら、前記した構造のヘッドチップを採用する場合には、電極部と電極部に隣接する他の部材との距離は著しく小さいため、電極部にストレスがかからないよう、電極部と他の部材との間に間隙を設けようとすると組み立てが困難になるという問題を有している。

また、電極部に、電極部保護用の充填剤を塗布しようとした場合、電極部と電極部に隣接する他の部材との微小な間隙に、薄くかつ全体にピンホール等が発生しないように充填剤を塗布することは困難であるという問題を有している。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、配線基板の電極部を保護しつつ組み立て性の良好なインクジェットヘッドを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、請求の範囲第１項に記載の発明は、
圧電素子からなる駆動壁とチャネルとが交互に並設されると共に前面及び後面にそれぞれチャネルの出口と入口とが配置され、前記駆動壁に駆動電極が形成されてなるヘッドチップと、
前記ヘッドチップの前面に設置され、前記チャネルと対応する位置にインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートと、を備え、
前記ヘッドチップの後面に、前記駆動電極と電気的に接続する接続電極が形成されていると共に、該接続電極を介して前記駆動電極に駆動回路からの電圧を印加するための電極部が形成された配線基板が該ヘッドチップよりもチャネル列方向と直交する方向に張り出すように接合されており、
前記駆動電極に電圧を印加することにより前記駆動壁をせん断変形させ、前記チャネル内のインクを前記ノズルから吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
前記電極部を覆う位置に設置され、前記配線基板の前記ヘッドチップよりも張り出した張り出し部を保持する保持部材と、
前記保持部材と前記電極部との間に接着剤を用いて固着されるとともに前記電極部を覆う部分が０．０１から０．５ｍｍの範囲内の値の厚さを有する電極部保護部材と、を備えていることを特徴とする。

請求の範囲第２項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記電極部保護部材は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリオレフィンからなることを特徴とする。

請求の範囲第３項に記載の発明は、請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記駆動壁は、チタン酸ジルコン酸鉛からなるセラミックスで形成されていることを特徴とする。

請求の範囲第４項に記載の発明は、請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記接着剤は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする。

請求の範囲第５項に記載の発明は、請求の範囲第１項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズルプレートのインク吐出面の周囲に設置されるキャップ部材を有し、
前記保持部材は、前記キャップ部材と前記電極部との間に設置されることを特徴とする。

請求の範囲第１項、第３項、第４項、第５項に記載の発明によれば、電極部と電極部に隣接する他の部材との距離が著しく小さいヘッドチップを有するインクジェットヘッドにおいて、電極部と、電極部に隣接する他の部材との間隙に電極部保護部材を設けることにより、電極部にストレスがかかった場合に電極部の代わりに電極部保護部材が剥離することとなる。このため、電極部の剥離が防止され、断線の発生を防止することができる。すなわち、電極部を保護することが可能となる。

請求の範囲第２項に記載の発明によれば、電極部保護部材が、ポリテトラフルオロエチレン又はポリオレフィンからなるため、電極部保護部材の付着性が弱く、電極部にストレスがかかった場合に、電極部の代わりに電極部保護部材から剥離するようになる。このため、電極部の剥離が防止され、断線の発生を防止することができる。すなわち、電極部を保護することが可能となる。

本実施形態に係るインクジェットヘッドの全体構成を示す斜視図である。 図１におけるインクジェットヘッドの分解斜視図である。 図１におけるインクジェットヘッドの断面図である。 図１におけるインクジェットヘッドの要部構成を示す分解斜視図である。 本実施形態に係るヘッドチップの構成を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ フレキシブル基板
１１ 曲折部
２ ヘッドチップ
２１ 基板
２２ 駆動壁
２３ チャネル
２４ ノズルプレート
２５ 駆動電極
３ 配線基板
３１ 張り出し部
３２ 電極部
３３ 開口
４ 電極部保護部材
４１ 開口
５ 保持部材
５１ 開口
５２ 底板
５３ 側壁
６ 放熱板
７ キャップ部材
７１ 開口
８ マニホールド
８１ 流路接続部
１０ インクジェットヘッド
２０ 筐体

以下、本発明に係るインクジェットヘッドの実施の形態について、図面を参照して説明する。但し、発明の範囲は図示例に限定されない。

図１は本実施形態のインクジェットヘッドの外観を示す斜視図であり、図２は図１のインクジェットヘッドの分解斜視図である。図３は図１のIII−III線における断面図である。図４は本実施形態のインクジェットヘッドの要部構成を示す分解斜視図である。なお、全図に亘って共通のＸＹＺ軸を図面上に表示する。

図１から図３に示すように、インクジェットヘッド１０は、上面及び底面の開放された筐体２０を有している。筐体２０の内部には、図３に示すように、一対のフレキシブル基板１，１、ヘッドチップ２、配線基板３、電極部保護部材４、保持部材５、放熱板６、キャップ部材７、マニホールド８等が組み立てられて収納されており、筐体２０の底面には、キャップ部材７が設置されている。

このうち、フレキシブル基板１，１は、図２に示すように、平面状の基板からなり、所定間隔を有して配置されている。フレキシブル基板１，１には、図示しない駆動回路等が実装されている。また、フレキシブル基板１，１の下端部には、図３及び図４に示すように、互いに向き合って曲折される曲折部１１，１１が設けられており、曲折部１１，１１の上面には、後述する配線基板３が設置されている。そして、一対のフレキシブル基板１，１と、配線基板３の上面と、から形成される空間内には、後述するマニホールド８が設置されている。また、フレキシブル基板１，１の上端部は、筐体２０の上面から突出している。

ヘッドチップ２は、図５に示すように、２枚の基板２１，２１の間に、駆動壁２２とチャネル２３とが交互に並設された構造となっている。ヘッドチップ２の下面（前面）には、各チャネル２３に対応する位置にインクの吐出口が開口されたノズルプレート２４が設置されている。

ここで、駆動壁２２は、電圧を加えることにより変形を生じる圧電素子から形成されている。圧電素子材料としては、公知の材料を用いることができるが、特に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好ましい。

各チャネル２３の内壁には、各チャネル２３毎に独立した金属被膜である駆動電極２５が形成されており、駆動電極２５は、ヘッドチップ２の上面（配線基板３と対向する面）に各チャネル２３毎に形成された図示しない接続電極と電気的に接続されている。

また、ヘッドチップ２の上面（後面）には、前記したフレキシブル基板１，１と接続される配線基板３が接合されている。

配線基板３は、ヘッドチップ２と比較してその縦幅及び横幅が大きく形成されており、ヘッドチップ２と接合した状態でヘッドチップ２より張り出した張り出し部３１を有している。

配線基板３の下面（ヘッドチップ２と対向する面）には、ヘッドチップ２の接続電極と同数及び同ピッチで電極部３２が形成されている。この電極部３２は、配線基板３とヘッドチップ２とが当接した際に接続電極と接続される。このため、電極部３２は、接続電極を介して駆動電極２５と電気的に接続される。

また、配線基板３には、その長手方向（Ｘ方向）に延びる矩形状の開口３３が形成されている。開口３３は、ヘッドチップ２の全てのチャネル２３の開口を露出させることができる大きさに加工されている。一方で、開口３３は、ヘッドチップ２の上面の面積よりも小さな占有面積となるよう加工されているため、配線基板３をヘッドチップ２に当接させた際に、ヘッドチップ２が配線基板３を貫通することはない。したがって、配線基板３をヘッドチップ２に接合する際、配線基板３はヘッドチップ２のチャネル２３の開口を塞ぐことなく、基板２１，２１と接するようになる。

また、配線基板３は、低熱膨張率のプラスチックやガラス等により形成されている。また、配線基板３として、非分極のＰＺＴやＡＩＮ等のセラミックを用いることもできる。さらに、熱膨張率の差に起因するヘッドチップ２の歪み等の発生を抑えるため、ヘッドチップ２との熱膨張率の差が±１ｐｐｍ以内の材料を使用すると良い。

張り出し部３１の電極部３２が形成された部位には、フレキシブル基板１，１の曲折部１１，１１が当接される。これにより、配線基板３の電極部３２とフレキシブル基板１，１の駆動回路とは電気的に接続される。そして、フレキシブル基板１，１の駆動回路からの信号は、フレキシブル基板１，１の曲折部１１，１１及び電極部３２を介してヘッドチップ２の各チャネル２３内壁の駆動電極２５に印加されるようになる。

また、張り出し部３１の下側には、図４に示すように、電極部保護部材４が設置されている。

この電極部保護部材４は、ヘッドチップ２と同じ大きさの開口４１を有しており、開口４１はヘッドチップ２に嵌合される。このとき電極部保護部材４の上面は、曲折部１１，１１を介在させつつ配線基板３の電極部３２を覆い、これにより、電極部３２のストレスを緩和させるようになっている。なお、電極部保護部材４は、エポキシ系の接着剤を用いて、配線基板３に固着されている。

電極部保護部材４の材料としては、付着性の弱い樹脂等を使用できるが、特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリオレフィンを用いることが好ましい。付着性の弱い材料を電極部保護部材４として用いることにより、電極部３２にヒートショック等のストレスがかかった際に、電極部３２の代わりに電極部保護部材４が剥離するようになる。

また、電極部保護部材４は、電極部３２を覆う部分が０．０１から０．５ｍｍの範囲内の値の厚さを有する。すなわち、電極部３２を覆う部分の厚さの最大値と最小値のいずれもがこの範囲内となるように設計されている。本実施形態においては、この範囲内で略均一の厚みを有する電極部保護部材４を用いている。

また、電極部保護部材４の下方には、ヘッドチップ２に接合された配線基板３の張り出し部３１を保持する保持部材５が備えられている。

保持部材５は、矩形状の開口５１が形成された底板５２と、底板５２の両側辺から電極部保護部材４に向かって起立した側壁５３と、を有している。底板５２は配線基板３と略同じ幅を有しており、開口５１はノズルプレート２４と略同じ大きさに形成されている。

そして、ヘッドチップ２は開口５１に嵌合され、このとき配線基板３は保持部材５の底板５２の上面に設置されるようになっている。したがって、フレキシブル基板１，１も保持部材５の内側に収納されて、フレキシブル基板１，１と保持部材５の側壁５３とは略平行となっている。

また、保持部材５の下方には、平板状の放熱板６が設置されている。

放熱板６は、ノズルプレート２４と同じ大きさを有する開口６１を有しており、開口６１にはヘッドチップ２が嵌合し、放熱板６の上面は保持部材５の底面と接するようになっている。

放熱板６の下方には、キャップ部材７が設置されている。

キャップ部材７は、矩形状の平板であって筐体２０の下側に設置されるものである。

キャップ部材７には、ノズルプレート２４と同じ大きさを有する開口７１が形成されている。開口７１にはノズルプレート２４が嵌合されて、ノズルプレート２４のインク吐出面とキャップ部材７の下面とが面一となるようになっている。このように、ノズルプレート２４のインク吐出面の周囲にキャップ部材７が設置されることで、例えば、ノズルプレート２４のインク吐出面の他部材との接触による破損等が防止され、ヘッドチップ２が保護されるようになっている。

なお、上記説明においては、ノズルプレート２４のインク吐出面とキャップ部材７の下面とを面一として説明しているが、ここでいう面一とは厳密に同一面である必要はなく、例えば、ノズルプレート２４のインク吐出面がキャップ部材７の下面に対して窪んだ位置となるように配置しても良いし、開口７１の大きさに応じてノズルプレート２４の周囲に凹形状の窪みが形成された形状であっても良い。

また、キャップ部材７の表面は撥水性となっており、ヘッドチップ２からインクが吐出された際のインクの撥ねなどによるインクが付着するのを防止するようになっている。

また、キャップ部材７は、ヘッドチップ２のメンテナンス作業を行う際には吸引キャップを密着させるための吸引リップとして機能させることも可能である。

メンテナンス作業とは、例えば、高粘度インクを用いて画像の形成を行う際に、吐出口内のインクの溶媒が蒸発してインクが増粘したり固化したりして吐出口に目詰まりが発生した場合や、吐出口に連通するインクの流路内に気泡やごみ等が発生することよって吐出口の目詰まりが発生した場合などに行われる吸引除去作業である。

このとき、吸引キャップは、ヘッドチップ２のインク吐出口が開口する下端面を覆うように、ヘッドチップ２周囲のキャップ部材７に密着し、吸引キャップに接続された吸引ポンプ等によりヘッドチップ２のノズルプレート２４の吐出口内に残留したインク等を吸引するようになっている。

マニホールド８は、底面の開放された箱形状を有しており、一対のフレキシブル基板１，１と、配線基板３の上面と、から形成される空間内に設置されてその内部にインクを保持するものである。

マニホールド８の上面の左右２箇所には、図２に示すように、流路接続部８１，８１が備えられており、流路接続部８１，８１には、図示しないインク供給管が接続されている。

また、マニホールド８は、図３に示すように、配線基板３の上面の張り出し部３１の周囲と合致するようになっており、全てのチャネル２３に共通のインク室が形成されている。

なお、キャップ部材７とノズルプレート２４との間には、この他、必要に応じてインクを加温するためのヒータ等を介在させることも可能である。

また、本実施形態において電極部保護部材４は配線基板３にフレキシブル基板１，１を介して固着されるものとして説明しているが、配線基板３の電極部３２が露出した部分に電極部保護部材４を直接固着させても良い。また、電極部保護部材４は電極部３２を覆う位置に設置されればよく、例えば、保持部材５の底板５２の上面に接着させても良い。

また、保持部材５、放熱板６、キャップ部材７を一体化し、保持部材としてもよい。この場合、保持部材が放熱板及びキャップ部材として機能する。

さらに、放熱板６を設けずに、保持部材５、キャップ部材７を一体化し、保持部材としてもよい。この場合、保持部材がキャップ部材として機能する。

次に、本実施形態の作用について説明する。

このように構成されたインクジェットヘッド１０は、ヘッドチップ２の上面に配線基板３が取り付けられることにより、ヘッドチップ２の各チャネル２３毎の駆動電極２５と、配線基板３の電極部３２が電気的に接続する。

そして、インクジェットヘッド１０にインク吐出にかかる信号が送られると、フレキシブル基板１，１の配線から配線基板３の電極部３２を介してヘッドチップ２の接続電極、ひいては駆動電極２５に該信号が到達する。すると、圧電素子によって形成される駆動壁２２がせん断変形し、チャネル２３内のインクに圧力が付与されるため、ノズルプレート２４に形成されたノズルよりインクが吐出される。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態のインクジェットヘッド１０においては、フレキシブル基板１，１の曲折部１１，１１が接続された電極部３２と、その下面に配置される部材との間に、電極部３２よりも付着性の弱い電極部保護部材４を設けることにより、例えばヒートショックがかかった際にまず電極部保護部材４の剥離が起こるため、電極部３２は剥離せずに保持されることになる。

以上より、本実施形態によれば、電極部３２と、その下面に配置される部材との間に電極部保護部材４を設けることにより、電極部３２にストレスがかかった場合に、電極部３２の代わりに電極部保護部材４をまず剥離させることで、電極部３２の剥離を防止し、断線の発生を防止することができる。したがって、電極部３２を保護することができる。

また、電極部保護部材４の設置によって、接着剤を塗布する際、かかる接着剤が電極部保護部材４と曲折部１１との面接触により均一に塗布されるため、作業性を向上させることができる。
<実施例>
以下、本発明を実施例により説明する。なお、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
<実施例１〜５>
下記表に示すように、ＰＴＦＥからなる厚さ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの電極保護部材を、キャップ部材-配線基板間の距離を１ｍｍ又は２ｍｍに調節した上記インクジェットヘッド１０に搭載し、このインクジェットヘッドを−２０℃〜８０℃の温度範囲で３サイクルに亘って加熱冷却してヒートショック試験を行った。ヒートショック試験後、インクジェットヘッドの配線接続状態を確認し、下記のように評価した。
《評価》
○：電極部に断線の発生無し
△：電極部に断線の発生がやや有り
×：電極部に断線の発生有り
<比較例１〜３>
下記表に示すように、ＰＴＦＥからなる厚さ０．８ｍｍ又は１．０ｍｍの電極保護部材をキャップ部材-配線基板間の距離を２ｍｍ又は３ｍｍに調節したインクジェットヘッドに搭載し、このインクジェットヘッドを用いて上記と同様にヒートショック試験を行い、上記と同様に評価した。
<実施例６〜８>
下記表に示すように、ポリエチレン（ＰＥ）からなる厚さ０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、又は０．５ｍｍの電極保護部材をキャップ部材-配線基板間の距離を１ｍｍに調節したインクジェットヘッドに搭載し、このインクジェットヘッドを用いて上記と同様にヒートショック試験を行い、上記と同様に評価した。
<比較例４、５>
下記表に示すように、ＰＥからなる厚さ１．０ｍｍの電極保護部材をキャップ部材-配線基板間の距離を１ｍｍ又は２ｍｍに調節したインクジェットヘッドに搭載し、このインクジェットヘッドを用いて上記と同様にヒートショック試験を行い、上記と同様に評価した。なお、比較例４においては、保持部材５及び放熱板６は設置していない。

上記の結果から、電極保護部材が０．０５ｍｍから０．５ｍｍの厚さを有するときインクジェットヘッドの電極部に断線の発生は確認されず、０．８ｍｍや１．０ｍｍの厚さを有するとき電極部に断線の発生が確認された。

なお、電極保護部材の厚さは０．０５ｍｍ未満でもよいと推測されるが、電極保護部材の厚さが０．０１ｍｍ未満である場合には成形が困難となる可能性があり、実用的な観点から電極保護部材の厚さは０．０１ｍｍから０．５ｍｍの範囲内が好適である。

その他、本発明が上記実施の形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。

Claims (5)

1. 圧電素子からなる駆動壁とチャネルとが交互に並設されると共に前面及び後面にそれぞれチャネルの出口と入口とが配置され、前記駆動壁に駆動電極が形成されてなるヘッドチップと、
   前記ヘッドチップの前面に設置され、前記チャネルと対応する位置にインクを吐出するノズルが設けられたノズルプレートと、を備え、
   前記ヘッドチップの後面に、前記駆動電極と電気的に接続する接続電極が形成されていると共に、該接続電極を介して前記駆動電極に駆動回路からの電圧を印加するための電極部が形成された配線基板が該ヘッドチップよりもチャネル列方向と直交する方向に張り出すように接合されており、
   前記駆動電極に電圧を印加することにより前記駆動壁をせん断変形させ、前記チャネル内のインクを前記ノズルから吐出させるインクジェットヘッドにおいて、
   前記電極部を覆う位置に設置され、前記配線基板の前記ヘッドチップよりも張り出した張り出し部を保持する保持部材と、
   前記保持部材と前記電極部との間に接着剤を用いて固着されるとともに前記電極部を覆う部分が０．０１から０．５ｍｍの範囲内の値の厚さを有する電極部保護部材と、を備えていることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記電極部保護部材は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリオレフィンからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記駆動壁は、チタン酸ジルコン酸鉛からなるセラミックスで形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記接着剤は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第３項のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記ノズルプレートのインク吐出面の周囲に設置されるキャップ部材を有し、
   前記保持部材は、前記キャップ部材と前記電極部との間に設置されることを特徴とする請求の範囲第１項から請求の範囲第４項のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。